Experimente mit Elektrostatik: Blitze selber machen!

Ein langer, heisser Sommer geht heute zu Ende – sagen sie im Radio. Und wahrlich haben wir in den vergangenen Wochen oftmals vergeblich auf Gewitter mit reichlich Regen und Abkühlung im Gepäck gewartet. Seit vorgestern geht es aber endlich wieder ordentlich rund. Blitze längs und quer über den Himmel und dazu lauter Donner künden Wind und – endlich – Regen an.

Aber was sind Gewitter eigentlich? Die meisten von euch werden wissen, dass Blitze etwas mit Elektrizität zu tun haben. Aber was ist denn nun wieder Elektrizität?

Heute beantworte ich nicht nur diese Frage, sondern zeige euch auch ein paar ganz einfache Experimente, in welchen ihr selbst Elektrizität und sogar eure eigenen Blitze (im winzigkleinen Miniaturformat – ganz harmlos!) erzeugen könnt.

Was ist Elektrizität?

Landläufig werden mit “Elektrizität” alle möglichen Erscheinungen und Technik rund um elektrische Aufladung und elektrischen Strom bezeichnet. Das erklärt aber nicht, worum es sich dabei handelt. Um das zu verstehen, müssen wir uns die winzigkleinen Teilchen, aus denen alle Stoffe bestehen, genauer ansehen.

Der Ursprung der Elektrizität: Eine Eigenschaft von Teilchen

Ursache für alle elektrischen Erscheinungen ist nämlich eine Eigenschaft dieser kleinen Teilchen. Die vielleicht naheliegendste Eigenschaft von Teilchen (und allen anderen Dingen) ist ihre Masse. Eine weitere Eigenschaft – um die es mir heute geht, ist die “elektrische Ladung”. Die gehört zu vielen Teilchen ebenso, wie den Teilchen ihre Masse gehört, oder einem Legostein seine rote Farbe.

Die elektrische Ladung gibt es in zwei (ganz streng genommen in drei) Formen, so, wie Legosteine rot oder blau sein können. Die Physiker nennen diese beiden Formen jedoch nicht “rot” und “blau”, sondern “positiv” bzw. “+” (plus) und “negativ” bzw. “-” (minus). Ein Teilchen kann also eine Ladung “+” oder “-” haben – oder gar keine Ladung. Das nennen die Physiker die Ladung “0” (null).

Elektrische Ladungen im Atom

Ein Atom besteht nun aus mehreren kleineren Teilchen mit verschiedenen elektrischen Ladungen. Im Atomkern befinden sich die Protonen, die eine Ladung “+” haben, und die Neutronen mit der Ladung “0”. In der Atomhülle findet man die Elektronen, die eine Ladung “-” tragen. Wenn man nun für jedes Proton +1, für jedes Neutron +0 und für jedes Elektron -1 rechnet, kommt man bei einem normalen Atom am Ende auf die Summe “0”. Das Atom hat – von aussen betrachtet – keine elektrische Ladung.

Es ist allerdings ganz leicht, Elektronen aus einem Atom zu entfernen oder weitere hinzuzufügen. Wenn das passiert, kommt bei der Addition aller Ladungen nicht mehr “0” heraus. Von aussen gesehen hat das Atom damit eine elektrische Ladung (Physiker und Chemiker nennen ein solches Atom ein “Ion”)! Die ist positiv, wenn Elektronen fehlen, und negativ, wenn zusätzliche Elektronen im Atom sind. Ebenso sind entferne Elektronen nun von aussen “sichtbar” elektrisch geladen. Und wenn man Elektronen und geladene Atome bewegt, bewegen sich ihre Ladungen natürlich mit.

Das Coulomb’sche Gesetz sorgt für Bewegung

Für elektrische Ladungen gelten zwei grundlegende physikalische Regeln, die gerne als das “Coulomb’sche Gesetz” zusammengefasst werden:

1. Verschiedenartige Ladungen ziehen einander an.
2. Gleichartige Ladungen stossen einander ab.

(Für diejenigen, die mit der Physik schon etwas weiter sind: Sowohl die Anziehung auch die Abstossung zwischen Ladungen nehmen um so mehr zu, je näher sich die Ladungen kommen.)

Diese beiden Regeln sorgen ungemein für Bewegung in der Teilchenwelt. So streben zwei einander nahe “freie” Elektronen, die beide eine Ladung “-” tragen, wie von Geisterhand voneinander weg, während ein Elektron unweigerlich auf ein Ion mit positiver Ladung zustrebt.

Teilchenwanderung im Alltag

Einzelne Teilchen können wir dabei freilich nicht mit unseren Sinnen beobachten. Aber wenn genügend geladene Teilchen in Bewegung sind, können wir die Folgen dieser Bewegung wahrnehmen. Und solche Bewegungen sind für uns heute alltäglich: In einer Batterie werden Elektronen (mit der Ladung “-“) und positiv geladene Teilchen (mit der Ladung “+”) getrennt voneinander aufbewahrt. Sobald man zwischen den Teilchenlagern eine Verbindung (z.B. durch ein Kabel) herstellt, wandern (oder besser: fliessen) die Elektronen durch das Kabel der Anziehung folgend zu den positiven Ladungen hin. Dieser Strom von Elektronen auf Wanderschaft ist das, was wir “elektrischen Strom” nennen!

Und wie alle bewegten Dingen enthält der elektrische Strom Energie, die in andere Energieformen wie Licht, Wärme oder Bewegung anderer Dinge umgewandelt werden kann (mehr zur Energie und ihren Formen erfahrt ihr hier).

 

Wie ihr selbst Ladungen trennen und Blitze machen könnt

Von den Atomen in vielen Stoffen könnt ihr ganz leicht Elektronen abreiben. Dazu zählen einige Kunststoffe, die ihr in eurem Haushalt finden könnt, das Fell von Tieren, aber auch eure eigenen Haare! Mit diesen Dingen könnt ihr ein paar einfache, aber wirkungsvolle Experimente machen. Sie alle funktionieren übrigens am besten bei trockener Witterung mit geringer Luftfeuchtigkeit. Dabei werden nämlich elektrische Ladungen getrennt gesammelt. Und die fliessen in feuchter Umgebung schnell wieder woandershin ab, anstatt am gewünschten Ort zu bleiben!

1.) Der klebende Luftballon

Diesen Klassiker hat schon mein Physikervater oft mit uns gemacht – und wir hatten als Kinder riesigen Spass daran: Blast einen Luftballon auf (nicht zu prall, damit er nicht platzt!) und reibt ihn kräftig an einem Wollpullover oder eurem Kopfhaar. Wenn es dabei hörbar knistert, legt den Ballon mit der geriebenen Seite an eine tapezierte Wand und lasst ihn los. Der Ballon bleibt an der Wand haften!

Oder haltet den Ballon mit etwas Abstand über einen Kopf mit feinem, trockenen Kinderhaar. Lasst das Kind dabei vor einem Spiegel stehen, denn: Die Haare werden angezogen – und die so entstehende Struwwelpeter-Frisur soll ja allen Beteiligten Spass machen!

Der durch Reibung aufgeladene Ballon zieht meine Haare an!

Funktioniert auch mit langen Erwachsenenhaaren (die am besten frisch gewaschen sind): Der Ballon zieht die Haare an!

 

2. Der “furchtsame” Kunststoffstab

Der Klassiker aus dem Physikunterricht: Knotet einen Bindfaden um den Schwerpunkt eines länglichen Gegenstands aus Kunststoff (zum Beispiel ein Stück Plastikbesteck) und haltet es am freien Ende des Fadens so, dass es frei und möglichst bewegungslos schwebt. Nähert ein zweites Kunststoff-Stück, das ihr zuvor kräftig an Wolle gerieben habt, langsam dem schwebenden Stück an. Das schwebende Stück wird sich von dem geladenen Kunststoff wegdrehen. Durch Annäherung aus der entgegengesetzten Richtung lässt sich die Drehrichtung auch umkehren!

Das aufgehängte Plastikmesser dreht sich in Pfeilrichtung vom aufgeladenen Plastik fort.

Gleiche Ladungen stossen sich ab: Der rote Pfeil deutet die Drehrichtung des aufgehängten Plastikmessers an.

 

3. Mit Abfall Blitze machen

So könnt ihr eure eigenen Blitze machen (die Idee dazu habe ich von Alli Sonnier von Learn-Play-Imagine): Ihr braucht dazu eine saubere Grillschale oder Lebensmittelverpackung aus Aluminium, einen Bleistift mit Radiergummi, eine Reisszwecke, ein Stück Styropor und ein Kleidungsstück aus Wolle.

Damit könnt ihr eure eigenen Blitze machen: Styropor, Aluminium-Schale, Wollschal, Bleistift und Reisszwecke

Damit könnt ihr eure eigenen Blitze machen!

 

Die Reisszwecke stecht ihr in der Mitte der Alu-Schale von unten durch den Boden und dann in den Radiergummi am Ende des Bleistifts. Jetzt könnt ihr das Ganze am Bleistift hochheben, ohne mit der Schale in Berührung zu kommen. Reibt nun das Styropor-Stück eine Weile kräftig an der Wolle (nehmt euch dafür ruhig rund 2 Minuten Zeit!). Legt den Styropor nun auf einem nicht-leitenden, trockenen Platz (z.B. einem Holztisch) ab und senkt die Alu-Schale am Bleistift langsam darüber ab. Hört dabei aufmerksam hin! Im besten Fall sollte die Schale den Styropor nicht berühren – gebt darauf gründlich acht, da Styropor und Alu-Schale einander anziehen.

Die aufgespiesste Aluschale schwebt über dem Styroporblock. Noch ein Bisschen näher, und die Funken werden vernehmlich knistern!

Langsam nähere ich meine Alu-Schale dem aufgeladenen Styroporblock an. Noch einen Moment, dann wird es knistern! Der Funkenschlag selbst geht allerdings so schnell, dass er sich nicht fotografieren lässt.

 

Wenn die Alu-Schale dem Styropor nahe kommt, könnt ihr ein verräterisches Knistern hören. Wenn ihr das Ganze in einem dunklen Raum ausprobiert, könnt ihr vielleicht sogar kleine Funken sehen. Richtig – das sind Blitze im Miniatur-Format, und das Knistern ist der Miniatur-Donner dazu!

Was geschieht da?

Durch das Reiben der Gegenstände aneinander werden geladene Teilchen geradezu von der Oberfläche der Dinge abgerubbelt – und bleiben an der Oberfläche des Gegenstücks haften. Wenn wir annehmen, dass Elektronen vom Kunststoff abgerieben werden und an der Wolle oder Haaren haften bleiben, trägt die Wolle nach dem Reiben negative Ladungen, während der Kunststoff – die Ballonhülle oder das Plastikmesser – positiv geladen ist.

Elektrostatische Anziehung und Abstossung

Diese unterschiedlichen Ladungen ziehen sich an – so stark, dass der geladene Ballon an der Wand (die ebenfalls negative Ladungen trägt) haftet, anstatt zu Boden zu fallen, oder dass die leichten Haare sich der Schwerkraft entgegen aufrichten!

Das schwebende und das geriebene Plastikmesser sind dagegen beide positiv geladen (ein paar Elektronen werden allein schon durch das Anfassen und die Bewegung des schwebenden Messers abgerieben), sodass sie einander abstossen – und zwar so stark, dass das sich langssam drehende Messer abbremst und sich in die Gegenrichtung zu bewegen beginnt!

Im Übrigen: Wenn euch die Plastikmesser bekannt vorkommen, dann nicht umsonst. Auf derselben Abstossung beruht nämlich auch das magische Harry-Potter-Experiment mit dem krummeln Wasserstrahl!

Wie aus elektrostatischer Aufladung Blitze werden

Durch das gründliche Reiben des Styropors sammeln sich schliesslich so viele Ladungen auf der Styropor-Oberfläche an, dass sie – der Anziehung folgend – den schmalen, luftgefüllen Spalt zwischen Styropor und Aluminium* überqueren können: Für einen Sekundenbruchteil fliesst Strom durch die Luft – ein Funke springt über. Genau das passiert auch bei einem Gewitter – nur sind die Funken dabei sehr, sehr, sehr viel grösser und werden dann Blitze genannt.

Wie in einer Gewitterwolke Ladungen für so grosse Funken zusammenkommen und warum Blitze (und eure Miniatur-Funken) leuchten und lärmen, erkläre ich euch am Montag ausführlich.

*Wenn ihr euch nun fragt, warum das funktioniert, obwohl ihr das Aluminium nicht aufgeladen habt: Aluminium ist ein Metall, in welchem – anders als in Kunststoffen – Elektronen sich prima bewegen können. So sorgt schon die Nähe der Ladung des Styropors dafür, dass die Elektronen im Aluminium sich so verschieben, dass an dessen Oberfläche eine dem Styropor entgegengesetzte Ladung entsteht: Die beiden Teile ziehen sich an und es kommt allenfalls zum Funkensprung.

Bis dahin wünsche ich euch viel Spass beim Experimentieren und Beobachten! Probiert doch auch aus, was ihr sonst noch aufladen und anziehen oder abstossen könnt (zum Beispiel: Wer bringt Styroporflocken zum Fliegen?)!

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